mssi 03 teoria colas

104
TEMA 3 LOS FENOMENOS DE CONGESTIÓN Prof. Antonio Olmedo Narbona Dpto. Economía y Administración de Empresas 1

Upload: rafaeladriangarciamartin

Post on 30-Apr-2017

226 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

Page 1: Mssi 03 Teoria Colas

TEMA 3

LOS FENOMENOS DE CONGESTIÓN

Prof. Antonio Olmedo Narbona

Dpto. Economía y Administración de Empresas

1

Page 2: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Contenidos

• TEORÍA DE COLAS

– Introducción

– Estructura básica de una cola

– Sistemas de colas

– Notación Kendall

– Modelos de colas

– Análisis económico de las colas

• MODELO GENERALIZADO

– Modelo generalizado

– Ecuación de Little, medidas del rendimiento

• TAXONOMIA

– Modelo básico

– Modelos de colas con un servidor (M/M/1, M/G/1,M/D/1)

– Modelos de colas con s servidores (M/M/S,MG/S)

2

Page 3: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Las colas…

Todos hemos experimentado en alguna ocasión la sensación de

estar perdiendo el tiempo al esperar en una cola. El fenómeno de

las colas nos parece natural: esperamos en el coche al estar en un

tapón, o un semáforo mal regulado, o en un peaje; esperamos en el

teléfono a que nos atienda un operador y en la cola de un

supermercado para pagar....

La respuesta es casi siempre simple, en algún momento la

capacidad de servicio ha sido (o es) menor que la capacidad

demandada.

Generalmente esta limitación se puede eliminar invirtiendo en

elementos que aumenten la capacidad. En estos casos la pregunta

es: ¿Compensa invertir?

La teoría de colas intenta responder a estas preguntas utilizando

análisis matemáticos detallados

3

Page 4: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Las colas…

• Las colas de espera están presentes en todas partes:

– En un banco

– Cajas en un supermercado

– Gasolineras

– Nº de grúas de descarga en un puerto.

– Aeropuertos

– Semáforos.

– Sistema de mantenimiento.

– Sistemas de transmisión de datos

4

Page 5: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Las colas…

En general, a nadie le gusta esperar

No siempre quienes esperan servicios son únicamente

personas, sino actividades productivas, máquinas,

equipo, etc

Cuando la paciencia llega a su límite, la gente se va a

otro lugar

Sin embargo, un servicio muy rápido tendría un costo

muy elevado

Es necesario encontrar un balance adecuado

5

Page 6: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Teoría de colas

• La teoría de colas es un conjunto de modelos

matemáticos que describen sistemas de colas

particulares

• El estudio de colas determina las medidas del

funcionamiento de una situación de colas, incluyendo el

tiempo de espera y la longitud promedio, entre otras

• El objetivo es encontrar el estado estable del sistema y

determinar una capacidad de servicio apropiada

6

Page 7: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES Teoría de colas

• Existen muchos sistemas de colas distintos

• Algunos modelos son muy especiales

• Otros se ajustan a modelos más generales

• Se estudiarán ahora algunos modelos comunes

• Otros se pueden tratar a través de la simulación

7

Page 8: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Estructura básica de los modelos de colas

Los clientes que requieren un servicio se generan a lo largo del tiempo en una fuente de entrada

Estos clientes entran al sistema y con ellos se forma una cola

En determinado momento, se selecciona un miembro de la cola para darle servicio, mediante alguna regla conocida como disciplina de cola

Se proporciona al cliente seleccionado el servicio mediante el mecanismo del mismo

El cliente servido sale del sistema

Fuente de entrada

Cola

Mecanismo de servicio

Servidor

Clientes

SIS

TE

MA

DE C

OLA

S

Clientes servidos

8

Page 9: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Estructura básica de los modelos de colas

Llegadas

Sistema de colas

Cola Servicio Disciplina

de la cola

Salidas

9

Page 10: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Estructura básica de los modelos de colas

• Los clientes, usuarios o llegadas pueden ser:

– Personas

– Automóviles

– Máquinas que requieren reparación

– Documentos

– Cualquier artículo entre muchos tipos de artículos

– ……..

10

Page 11: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Estructura básica de los modelos de colas: fuente de

entrada

• Su principal característica es su tamaño, es decir, el número total de clientes que podría solicitar servicio. A estos se les llama población de entrada

• La población de entrada puede ser finita o infinita

• La llegada de clientes se representa por el tiempo entre llegadas y es de carácter probabilística

• Generalmente, la suposición de que la población es infinita facilita algunos cálculos

• Hay que tener en cuenta el patrón estadístico mediante el cual se generan los clientes en el tiempo, es decir el nº de llegadas en un periodo

11

Page 12: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Estructura básica de los modelos de colas: llegadas

En situaciones de cola habituales, la llegada es estocástica, es decir

la llegada depende de una cierta variable aleatoria, en este caso es

necesario conocer la distribución probabilística entre dos llegadas de

cliente sucesivas. Además habría que tener en cuenta si los clientes

llegan independiente o simultáneamente. En este segundo caso (es

decir, si llegan lotes) habría que definir la distribución probabilística de

éstos.

También es posible que los clientes sean “impacientes”. Es decir, que

lleguen a la cola y si es demasiado larga se vayan, o que tras esperar

mucho rato en la cola decidan abandonar.

Por último es posible que el patrón de llegada varíe con el tiempo. Si

se mantiene constante le llamamos estacionario, si por ejemplo varía

con las horas del día es no-estacionario.

12

Page 13: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Estructura básica de los modelos de colas: llegadas

• Al tiempo que transcurre entre dos llegadas consecutivas

se le denomina tiempo entre llegadas

• Los tiempos de llegada entre los clientes se distribuyen

de manera exponencial

• Se define como (distribución exponencial)

λ = Número de llegadas por unidad de tiempo (tasa)

• Esta suposición supone que los tiempos de llegada son

completamente aleatorios, lo que implica olvido.

• La distribución exponencial supone una mayor

probabilidad para tiempos entre llegadas pequeños

0,)( ttetf

13

Page 14: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Estructura básica de los modelos de colas

Las llegadas

Media Tiempo 0

P(t)

Distribución exponencial Tiempo de llegadas entre clientes

14

Page 15: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Estructura básica de los modelos de colas

Las llegadas

DISTRIBUCIÓN EXPONENCIAL

• Además es necesario estimar la distribución de probabilidad de los

tiempos entre llegadas

• La forma algebraica de la distribución exponencial es:

• Donde t representa una cantidad expresada en unidades de tiempo (horas, minutos, etc.) y

λ la tasa de llegadas (usuarios/tiempo)

t

tt

etserviciodetiempoP

edtP

1)(

|e t) servicio de tiempo( 0

t

0

t-

0,)( ttetf

15

Page 16: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Estructura básica de los modelos de colas

Las llegadas

Distribución de Poisson

• Cuando el tiempo entre llegadas tiene una distribución exponencial,

el número de llegadas en un periodo tiene una distribución de

Poisson

• Es una distribución discreta empleada con mucha frecuencia para

describir el patrón de las llegadas a un sistema de colas

• Para tasas medias de llegadas pequeñas es asimétrica y se hace

más simétrica y se aproxima a la binomial para tasas de llegadas

altas

16

Page 17: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Sistemas de colas: llegadas

Distribución de Poisson

• Su forma algebraica es (con media λt llegadas durante t) :

• Donde:

– P(t) : probabilidad de k llegadas por unidad de tiempo

– : tasa media de llegadas

– e = 2,7182818…

• El tiempo entre llegadas se define como la probabilidad de que no llegue

ningún cliente

!

)()(

n

ettP

tn

n

Llegadas por unidad de tiempo 0

P

Es una distribución discreta empleada con mucha frecuencia para describir el patrón de las llegadas a un sistema de colas

t

o etP )(

17

Page 18: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Propiedades del patrón de llegadas o servicio

Poisson-Exponencial

El uso de este patrón de llegada (o de servicio) tiene, entre otras las

siguientes propiedades:

P1 El número de llegadas en intervalos de tiempo no superpuestos es

estadísticamente independiente

P2 La probabilidad de que una llegada ocurra entre el tiempo t y t+Δt

es λΔt+o(Δt), donde λ es la tasa de llegada y o(Δt) cumple

P3 La distribución estadística del número de llegadas en intervalos de

tiempo iguales es estadísticamente equivalente

18

Page 19: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Propiedades del patrón de llegadas o servicio

Poisson-Exponencial

P4 Si el número de llegadas sigue una distribución de Poisson el

tiempo entre llegadas sigue una distribución exponencial de media

(1/λ) y al contrario

P5 Si el proceso de llegada es Poisson, los tiempos de llegada son

completamente aleatorios con una función de probabilidad

uniforme sobre el periodo analizado.

P6 Para conocer los datos que definen un proceso de Poisson solo es

necesario conocer el número medio de llegadas

P7 Amnesia de la Distribución exponencial: La probabilidad de que

falten t unidades para que llegue el siguiente cliente es

independiente de cuanto tiempo llevamos sin que llegue ningún

cliente. 19

Page 20: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Estructura básica de los modelos de colas

Las llegadas

• El tiempo que transcurre entre dos llegadas sucesivas

en el sistema de colas se llama tiempo entre llegadas

• El tiempo entre llegadas tiende a ser muy variable

• El número esperado de llegadas por unidad de tiempo

se llama tasa media de llegadas ()

• El tiempo esperado entre llegadas es 1/

• Por ejemplo, si la tasa media de llegadas es = 20

clientes por hora

• Entonces el tiempo esperado entre llegadas es 1/ =

1/20 = 0.05 horas o 3 minutos

22

Page 21: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Estructura básica de los modelos de colas

Fuente de entrada (revisión)

• La suposición usual es que esto ocurre mediante un proceso Poisson, es

decir, el número de clientes que llega hasta un determinado momento tiene

una distribución Poisson

• Esta suposición corresponde con la situación en que las llegadas ocurren de

manera aleatoria, pero con una tasa media fija y sin importar cuántos clientes

ya están ahí (lo cual equivale a suponer que el tamaño de la fuente de

entrada es infinito)

• También debe especificarse cualquier supuesto inusual sobre el

comportamiento de los clientes, por ejemplo, si s pierden clientes cuando la

fila es muy larga

23

Page 22: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Estructura básica de los modelos de colas

La cola

• Es el lugar donde los clientes esperan antes de recibir el servicio

• Puede ser de longitud finita o infinita, generalmente se supone esto último

• Si cuando el cliente llega no hay nadie en la cola, pasa de una vez a recibir

el servicio, si no, se une a la cola

• La cola no incluye a quien está recibiendo el servicio

• Tiempo de espera. Tiempo transcurrido desde que el cliente entra en el

sistema hasta que empieza recibir los servicios (Wq)

24

Page 23: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Estructura básica de los modelos de colas

La cola

• El número de clientes en la cola es el número de clientes

que esperan el servicio (Lq)

• El número de clientes en el sistema es el número de

clientes que esperan en la cola más el número de clientes

que actualmente reciben el servicio (Ls= Lq+N)

• La capacidad de la cola es el número máximo de clientes

que pueden estar en la cola

25

Page 24: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Estructura básica de los modelos de colas

Disciplina de cola

• Se refiere al método por el cual se seleccionan los miembros de la cola para darle servicio

– Primero en entrar, primero en salir (first in, first out; FIFO) (first come, first served; FCFS) (PEPS)

– Último en entrar, primero en salir (last in, first out; LIFO) (last come, first served; LCFS)

– Reparto equitativo entre todas las tareas (round robin; RR)

– Por jerarquía o prioridad

26

Page 25: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Estructura básica de los modelos de colas

El servicio

• El servicio puede ser brindado por un servidor o por servidores múltiples

• El tiempo de servicio varía de cliente a cliente

• El tiempo esperado de servicio (Ws) depende de la tasa media de servicio (μ)

• Es necesario seleccionar una distribución de probabilidad para los tiempos de servicio

• Hay dos distribuciones que representarían puntos extremos:

– La distribución exponencial (=media)

– Tiempos de servicio constantes (=0)

27

Page 26: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Estructura básica de los modelos de colas

El servicio

• Es necesario seleccionar una distribución de probabilidad

para los tiempos de servicio

• Hay otras distribuciones que representarían puntos

intermedios:

– La distribución exponencial (=media)

– Tiempos de servicio constantes (=0)

– Una distribución intermedia es la distribución Erlang.

Esta distribución posee un parámetro de forma k que

determina su desviación estándar:

mediak

1

28

Page 27: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Estructura básica de los modelos de colas

El servicio

• Si k = 1, entonces la distribución Erlang es igual a la

exponencial

• Si k = ∞, entonces la distribución Erlang es igual a la

distribución degenerada con tiempos constantes

• La forma de la distribución Erlang varía de acuerdo con k

• Tasa media de servicio µ (p.ejemplo 25 clientes por hora)

• El tiempo esperado de servicio equivale a 1/

• Entonces el tiempo esperado de servicio es 1/ = 1/25 =

0.04 horas, o 2.4 minutos

29

Page 28: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Media Tiempo 0

P(t) k = ∞

k = 1 k = 2

k = 8

Distribución Desviación

estándar

Constante 0

Erlang, k = 1 media

Erlang, k = 2

Erlang, k = 4 1/2 media

Erlang, k = 8

Erlang, k = 16 1/4 media

Erlang, cualquier k

Estructura básica de los modelos de colas

El servicio Distribución de Erlang

mediak

1

30

Page 29: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Sistemas de colas: una línea, un servidor

Llegadas

Sistema de colas

Cola Servidor Salidas

31

Page 30: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Sistemas de colas : una línea, múltiples servidores

Llegadas

Sistema de colas

Cola

Servidor Salidas

Servidor

Servidor

Salidas

Salidas

32

Page 31: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Sistemas de colas : varias líneas, múltiples servidores

Llegadas

Sistema de colas

Cola Servidor Salidas

Servidor

Servidor

Salidas

Salidas

Cola

Cola

33

Page 32: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Sistemas de colas : una línea, servidores secuenciales

Llegadas

Sistema de colas

Cola

Servidor

Salidas

Cola

Servidor

34

Page 33: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Notación Kendall

• La notación utilizada para describir las características de un sistema de colas es la propuesta por David G. Kendall, a mediados del s. XX:

(A/B/c):(d/e/f) – A = Distribución de los tiempos de llegada

– B = Distribución de los tiempos de servicio

– c = Número de servidores

– d = Disciplina de la cola • LIFO = Última entrada, primera salida.

• FIFO = Primera entrada, primera salida.

• SIRO = Servicio aleatorio.

• URG = Orden en función de la urgencia de ser atendido.

• DG = Disciplina general.

• NPRP : Disciplina de no prioridad.

• PRP : Disciplina de prioridad.

CONTINUA..

35

Page 34: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Notación Kendall

(A/B/c):(d/e/f) – e = Número máximo de clientes permitido en el sistema

– f = Tamaño de la fuente

• Los valores comunes para A y B son: – M = Distribución exponencial entre llegadas (de Poisson).

– D = Tiempo entre llegadas determinista o constante.

– Ek = Distribución de Erlang o gamma de la distribución de tiempo entre llegadas.

– G = Distribución de salidas general ( ó tiempo de servicio).

– GI = Distribución de llegadas general independiente(ó tiempo entre llegadas).

36

Page 35: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Notación Kendall

Cuando se omiten (d/e/f)

• (A/B/c):(d/e/f)

– A = Distribución de los tiempos de llegada

– B = Distribución de los tiempos de servicio

– c = Número de servidores

– d = Disciplina de la cola FIFO o G

– e = Número máximo de clientes permitido en el sistema: Infinito (∞)

– f = Tamaño de la fuente: Infinito (∞)

• Ejemplo

– Un sistema M / M / 1 indica un sistema con tiempos de llegada Markovianos (exponenciales) que tiene un único servidor

– Es el modelo de cola más simple 37

Page 36: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Notación Kendall

Ejemplos

• La cola de un multicine en el que existen varias ventanillas para

adquirir el ticket. (M , M, s)(FIFO , N , )

• Una clínica dental en la que solo hay un dentista y un número N limitado de sillas en la sala de espera. (M ,M , 1)(PRP , N , )

• La elección de productos en un supermercado ,donde se pueden elegir los productos sin esperar ninguna cola.(M , M, )(DG , , )

• Una compañía de alquiler de automóviles en el que se tienen 5 servidores y mucho tiempo de espera, ya que existe mucha demanda. Pero esta compañía no puede hacer frente a una inversión para poner más servidores y toma la decisión de confeccionar una lista con un número de clientes a los que pueden ofrecer su servicio en una jornada. (D , D, 5)(DG , N , )

38

Page 37: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Estado del sistema de colas

• Estado del sistema, el número de clientes presentes en

el sistemas.

• En principio el sistema está en un estado inicial

• Se supone que el sistema de colas llega a una

condición de estado estable (nivel de operación)

• Existen otras condiciones anormales (horas pico, etc.)

• Lo que interesa es el estado estable

Llegada de clientes Transitorio Estable

Tie

mp

o d

e e

sp

era

39

Page 38: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo generalizado de colas

0 1 2 n-1 n n+1

Las llegadas y salidas con base en Poisson -> los tiempos entre llegadas y

de servicio siguen una distribución exponencial.

El modelo generalizado supone que las tasas de llegadas y salida son

dependientes del estado -> dependen del nº de usuarios en las instalaciones

n = Número de usuarios en el sistema (cola+servicio)

n = Tasa de llegada de usuarios dado n en el sistema

n = Tasa de salida de usuarios dados n en el sistema

pn = Probabilidad de estado estable de n clientes en el sistemas

n-1 n 0 1

n+1 n 2 1

40

Page 39: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo generalizado de colas

0 1 2 n-1 n n+1

En condiciones estables, para n>0, las tasas esperadas de flujo de entrada y salida de

un estado n deben ser iguales, n puede cambiar a n-1 o n+1

Tasa esperada de flujo de

entrada hacia el estado n = n-1 pn-1+ n+1 pn+1

Tasa esperada de flujo de

salida en el estado n = (n+ n )pn para n=0 -> 0 p0 = 1 p1 ; 0

1

01 pp

n-1 pn-1+ n+1 pn+1 = (n+ n )pn ; n=1,2,..

para n=1 ; 0 p0+ 2 p2 = (1+ 1 )pn ; sustituimos p1 y simplificamos 0

1

02

2

1 pp

,..2,1;1

1

210

1

0

1

0

...

...

np

i

ip

nn

nnpn

n

n

0n

1por determina se ppn0

n-1 n 0 1

n+1 n 2 1

41

Page 40: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

0 1 2 n-1 n n+1

Calculamos ahora el valor de p0

1n

1

0n

1por determina se ppppn0n0

n-1 n 0 1

n+1 n 2 1

1

1

0

1

0

1

11

111

1

1n

; común factor Sacando

1n

p

p1p

0

01n

0

n

n

n

n

n

n

i

ip

i

ip

i

i

42

Modelo generalizado de colas

Page 41: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Factor de utilización del sistema

• Dada la tasa media de llegadas y la tasa media de

servicio , se define el factor de utilización del sistema .

• Se requiere que < 1

• Su fórmula, con un servidor y con s servidores,

respectivamente, es:

s

43

Page 42: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Análisis económico de un sistema de colas

La utilización de un servidor supone un coste.

Cuando el número de servidores es pequeño respecto al

número de clientes que se atienden, la ocupación de los

servidores es mayor y, por lo tanto, se obtiene una mayor

rentabilidad. Podríamos concluir entonces que cuantos menos

servidores mejor.

Si hay pocos servidores, los clientes tendrán que esperar más

tiempo. El coste de espera generalmente lo asume el cliente,

pero se asocia con calidad de servicio. Es frecuente que si la

espera excede en una cantidad de tiempo determinada muchos

clientes se pierdan. Así pues, hay que buscar un equilibrio entre

ocupación del servidor y tiempo de espera del cliente.

44

Page 43: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Análisis económico de un sistema de colas

Coste

Tasa de servicio Tasa óptima de servicio

Coste de espera

Coste del servicio

Coste total

La calidad del servicio se refleja en el coste de espera del cliente. Cuanto menor

sea éste mejor será la calidad. El número de servidores es el coste del servicio.

Mientras que éste es un coste para el proveedor del servicio, el coste de espera

repercute en quien lo recibe. Lo que se pretende encontrar es el nivel de servicio que

minimice el coste total. En este coste total se incluye tanto el coste de espera como el

coste de servicio

45

Page 44: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Análisis económico de un sistema de colas

1. Coste de espera: Es el coste para el cliente al esperar

– Representa el costo de oportunidad del tiempo perdido

– Un sistema con un bajo costo de espera es una fuente importante de competitividad

2. Coste de servicio: Es el coste de operación del servicio brindado

– Es más fácil de estimar

– El objetivo de un sistema de colas es encontrar el sistema del costo total mínimo

46

Page 45: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelos de una cola y un servidor

• M/M/1: Un servidor con llegadas de Poisson y tiempos de

servicio exponenciales

• M/G/1: Un servidor con tiempos entre llegadas

exponenciales y una distribución general de tiempos de

servicio

• M/D/1: Un servidor con tiempos entre llegadas

exponenciales y una distribución determinista de tiempos

de servicio

47

Page 46: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

MODELO BÁSICO

M/M/1/FIFO/∞/∞

0y ; doconsideran ,..2,1;1

1

210ii0

1

0

1

0

...

...

np

i

ip

nn

nnpn

i

n

llamamos ; ..... ;2

2

; 00201

pn

n

ppppp n

10 para )1(1

111

1 dosustituyen 1

1

11.... ;por ndomultiplica ....1

1....)1(

0n

1

0

1

000

3232

32

0n

p

n

n

n

in

pp

ppp

p

i

i

S

SSSSS

pLa suma de las probabilidades de que el

sistema esté en cualquier estado posible es

1

48

Page 47: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

MODELO BÁSICO

M/M/1/FIFO/∞/∞

sistema el en clientes de medio nº el es este

valor con para infinita serie una es

P

P

servicio)(cola sistema el en clientes de medio nº del

n

n

1)1()1(')1(

)1('

1)1('

1''

1..1

....;32'

)1()1(

)1()1(

2

2

432

4

32

1

111

0

32

SL

SSSS

ρρρρρS'S'

nS

nnnL

P

LCálculo

s

n

n

n

nn

nn

s

n

s

Ls Valor el número de clientes

presentes en cada estado posible por la

probalibidad de que el sistema esté en ese

estado

49

Page 48: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

MODELO BÁSICO

M/M/1/FIFO/∞/∞

11

)1(

111Re

)1(

)1(

1

0

;

2

0

1

111

dosustituyen que

P dosustituyen P j

PP 1 es sistema del posibles estados los todos de adesprobabilid las de

PP j P 1)-(j 1)-(j habrá entonces clientes, jhay Si

esperando cliente unhay solo

servicio recibido ha no aún que sistema el en presentes que clientes de medio número el es

cola la en esperando clientes de medio nº del

oj1j

oj

jjj

q

q

sqs

j

jjj

q

q

q

LLcordemos

LLPSi

LLL

La

L

LSi

LCálculo

50

Page 49: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

FORMULA DE LITTEL RELACION ENTRE LONGITUD ESPERADA DE LA COLA Y EL

TIEMPO MEDIO DE ESPERA

• Ejemplo 1. Por razones vinculadas con el control de calidad, se necesita saber la cantidad L de personas que en un instante determinado del día están transitando sobre cierta escalera mecánica. Para plantear la cuestión de la manera más sencilla posible, vamos a suponer en primer término que el flujo de personas que llega a su boca de entrada es constante durante un largo período de tiempo: por ejemplo, durante una hora. Además, aceptaremos que una vez en la escalera, los pasajeros no caminarán sobre la misma, tal como lo sugieren las normas de seguridad para este tipo de transporte. Así expuesto, el problema se resuelve con sencillez.

• En efecto, basta con determinar la cantidad de personas que llegan a la boca de la escalera por segundo, a la que denominamos “tasa de llegada” (λ), y considerar además la cantidad de segundos W que tarda un escalón desde la boca de entrada hasta la boca de salida. Las tres cantidades estarán ligadas de manera exacta mediante la ecuación siguiente: L = λW : (Lq = λW q y Ls = λW s)

• Si entran cuatro personas por segundo (λ= 4) y cada una permanece 40 segundos en la escalera (T = 40) entonces, en cualquier instante, habrá W = 160 personas en la escalera.

51

Page 50: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

MODELO BÁSICO

M/M/1/FIFO/∞/∞

)1(

1 W

1 WW

)1(

1 WL

WL

1

1 que Re

espera de medio tiempoely cola de esperada Longitud entreRelación

WL Little de flujo deEcuación

qq

ss

qq

2

ss

ss

q

s

W

LW

L

Lcordemos

servicio elen empleado medio tiempoes 52

Page 51: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

MODELO BÁSICO

M/M/1/FIFO/∞/∞

Factor de utilización del sistema o tráfico = /

Número esperado de clientes en el sistema SS WL ·1

Número esperado de clientes en la cola

Tiempo esperado de espera en el sistema

11

)1·(

1

WqWS

Tiempo esperado de espera en la cola )·()1·(

qW

Probabilidad de que no haya ningún elemento en el sistema

110P

Probabilidad de que haya n elementos en el sistema

nn

nn PP

1·)·1( 0

WqLq ·)(1

22

53

Page 52: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Ejemplo 1

• Supongamos una gasolinera a la cual llegan en

promedio 45 clientes por hora

• Se tiene capacidad para atender en promedio a 60

clientes por hora

• Se sabe que los clientes esperan en promedio 3 minutos

en la cola

• Calcular las medidas del rendimiento la cola

54

Page 53: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Ejemplo 1

• Modelo M/M/1/DG/∞/∞

• La tasa media de llegadas es 45 clientes por hora o 45/60 = 0.75 clientes por minuto

• La tasa media de servicio es 60 clientes por hora o 60/60 = 1 cliente por minuto

clientesWL

clientesWL

WW

W

qq

ss

qs

q

25.2375.0 cola laen clientes de Nº

3475.0 sistema elen clientes de Nº

min41

13

1 sistema elen espera de Tiempo

min3 cola laen espera de Tiempo

55

Page 54: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Ejemplo2

• Una sucursal bancaria tiene una persona atendiendo al público, un cajero. Llegan 15 clientes a la hora siguiendo una distribución de Poisson . El tiempo medio que tarda cada cliente en la ventanilla son 3 minutos siguiendo una distribución exponencial. Al director le interesa saber los siguiente:

• Nº medio de clientes esperando

• Nº medio de clientes presentes en la sucursal

• Tiempo de espera del cliente para ser atendido

• Tiempo que pasa el cliente en la sucursal

• Cuánto tiempo dispone el cajero para realizar otras tareas.

56

Page 55: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Ejemplo 2

• Modelo M/M/1/DG/∞/∞

• es 15 clientes/hora

• es 1/3 minuto x 60 minutos = 20 clientes/hora

• = / = 15/20 = 0.75

• Nº de clientes esperado en la cola

• Nº de clientes en la sucursal

• Tiempo que espera el cliente para ser atendido

• Tiempo medio que pasa el cliente en la sucursal

• Tiempo libre del cajero

25.275.01

75.0

1

22

qL

375.01

75.0

1

SL

(9minutos) 15.015

25.2 · horas

LWqWqL

q

q

minutos) (12 2.015

3 · horas

LWsWsL s

s

libre tiempo%2525.075.0110 P57

Page 56: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Probabilidades como medidas del desempeño

• Beneficios:

– Permiten evaluar escenarios

– Permite establecer metas

• Notación:

– Pn : probabilidad de tener n clientes en el sistema

– P(Ws >t) : probabilidad de clientes espere en el sistema más de un tiempo t

t

t

s

s

dttWP

W

)1(

0

e )1(

11

)1(

1

58

Page 57: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/1

Formulario

1,0

)(

)(

)(

)1()1(

)(

1:

)(:

)1(

)1(

1

0

2

t

etWPP

etWPP

nLPP

PP

WWTiempos

LLTamaños

t

q

t

s

n

s

n

n

qs

qs

cola la en t tiempo un de mas espera cliente un que de drobabilida

sistema el en t tiempo un de más espera cliente un que de drobabilida

elementos n de más haya sistemas el en que de drobabilida

59

Page 58: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/1

Ejemplo 3

• Un tren de lavado automático puede atender un automóvil cada 10 minutos y la tasa media de llegadas es de 4 automóviles por hora. Los coches que llegan se pueden estacionar en la calle

• El gerente quiere diseñar un estacionamiento. Para ello desea que un coche que llega encuentre espacio al menos el 90% de las veces.

60

Page 59: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/1

ejemplo 3

p1- p

expresión la usando

0.91221 5ny 0.86831 4n que observamos , n para acumulados valores los Calculando

sistema el en coches nhay si ocasiones de 90% el en espacio encuentra coche Un

sistema el en 1n es espacios tener ientoestacionam de espacios los son

0

0

nn

nn

n

qs

qs

pp

pppp

nn

hrsWhrsW

clientesLclientesL

estableSistema

.)1(

9.0.........

min8.1933.0)(

min3050.01

33.1)(

2

66.06

4,6

10

60,4

210

2

n Pn Pn Aculumulado

1 0,22222 0,55556

2 0,14815 0,70370

3 0,09877 0,80247

4 0,06584 0,86831

5 0,04390 0,91221

6 0,02926 0,94147

7 0,01951 0,96098

8 0,01301 0,97399

9 0,00867 0,98266

10 0,00578 0,98844

11 0,00385 0,99229 61

Page 60: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/1

ejemplo 3

coches 5 para espacio logaritmos tomando

ndosimplifica

(1-

1-

1- truncada geometrica serie Suma

)(1(1-

tedirectamen Calculando

sistema el en coches nhay si ocasiones de 90% el en espacio encuentra coche Un

sistema el en 1n es espacios n tener ientoestacionam de espacios los son n

:tedirectamen ndodesarrolla ejercicio, anterior el rdesarrolla podría se También

1n

1n

1n

2

679.41667.0ln

1.0ln

1.0

9.0)9.0)...

)1(

9.0.........

9.0.........

min8.1933.0)(

min3050.01

33.1)(

2

66.06

4,6

10

60,4

210

210

2

n

p

pppp

pppp

hrsWhrsW

clientesLclientesL

estableSistema

nn

n

n

n

qs

qs

62

Page 61: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/1

ejemplo 4

• Un tren de lavado automático puede atender un automóvil cada 5 minutos y la tasa media de llegadas es de 9 automóviles por hora

a. Obtenga las medidas de desempeño de acuerdo con el modelo M/M/1

b. Además la probabilidad de tener 0 clientes en el sistema, la probabilidad de tener una cola de más de 3 clientes y la probabilidad de esperar más de 30 min. en la cola y en el sistema

63

Page 62: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/1

ejemplo 4

17.0)60/30(

22.0)60/30( )

32.0)3( )

25.0)1( )

min1525.0)(

min2033.01

25.2)(

3

75.012

9,12,9

)1(

)1(

13

0

0

2

t

q

t

s

s

q

s

qs

eWP

eWPc

LPb

Pa

hrsW

hrsW

clientesLclientesL

64

Page 63: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/1/DG/N/∞

Este sistema tiene en común con el anterior:

• La llegada de clientes sigue una distribución de Poisson de

parámetro A (es decir, el intervalo de tiempo entre llegadas

sigue una distribución exponencial negativa con tiempo medio

de 1/λ).

• El servicio de atención al cliente sigue una distribución

exponencial con tiempo medio 1/μ.

• Hay un solo servidor.

• La población origen es infinita.

La diferencia es que se trata de un sistema que tiene una

capacidad limitada. Es decir, el número máximo de clientes en

el sistema es N. Debido a esto, los clientes que llegan al

sistema cuando está saturado (o lo que es lo mismo, cuando

hay ya N clientes en el sistema) se pierden 65

Page 64: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/1/DG/N/∞

La tasa de llegadas es igual λ, siempre < 1

Cuando el estado es N, la capacidad del sistema ha llegado a

su tope y no puede entrar ningún cliente más. Por la misma

razón, nunca existirá un estado superior a N, no puede darse

porque no caben en el sistema.

Para calcular el tiempo empleado en el sistema aplicamos la

fórmula de Little, pero utilizaremos la tasa de llegada real. Así

pues, consideraremos que cuando el sistema está en estado N,

no puede entrar ningún cliente porque se halla completo. Es

decir, no caben más. Por eso, en lugar de utilizar λ se utiliza λ(1 -

PN. Así, descontamos la tasa de llegadas durante el porcentaje

de tiempo en el que no se producen entradas, esto es, mientras

que el sistema está en estado N. Esto ocurre con una

probabilidad PN.

66

Page 65: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/1/DG/N/∞

El valor de ρ (λ/µ) necesita no ser < 1, puesto que las llegadas están controladas por N del sistema. Interesa conocer las tasa efectiva λefectiva.

λperdida = λPN λefectiva= λ- λperdida= λ(1-PN)

Fuente Sistema

λperdida

λefectiva λ

Una vez que el número de elementos en el sistema alcanza N , no se

permiten más llegadas

67

0 1 2 N-1 N

Page 66: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/1/DG/N/∞

1

11

1.

1

1

1

11

1

1

1

1

11

,...1,0

02

00

10

10

1

0

1

0

00

NPPPP

PP

P

P

PPn

NNpara

para

non

o

N

n

on

N

n

nn

N

nn

N

N

N

n

Nn

N

n

n

N

n

on

n

n

n

1)(N .. (1

; PPP 1 de caso el Para

1 paraP P

1 para P

1 finita serie

; finito es N

0,1,......n para

n

0,1,2,.n

00n

nn

0

Una vez que el número de elementos en el sistema alcanza N , no se permiten

más llegadas

68

Page 67: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/1/DG/N/∞

1

)1()1()1(

)1(

)1(

)1(

)1()1()1(

1

)1(

1

1

1

1

1

11

)(1

1

)(

1

1

1

1

L

1

11

1

1

1

1

00

01

1

1

01

01

0

s

22

N

NNNN

Ns

N

Ns

Nn

N

n

nN

n

nN

nNs

nn

nN

nNs

nN

nNs

N

n

n

NNL

derivandod

dL

d

dL

rollandodo y desarsustituyen

nd

d

nLnL

nP

para finita serie una es

69

Page 68: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/1/DG/N/∞

2

)1(

2

)1(1

)1(

11

)1()1(

)1(

)1(

1

)1()1()1(

)1(

)1(

1

1

1

1

1

2

2

NNNL

NL

NL

NL

s

Ns

N

N

s

N

NN

s

N

N

0

n que puesto 1 para

1 para

operandoy términos oReordenand

P-1-L -L L N

ssq

efectiva

N

ss

sP-1

L

L W

efectiva

N

qqq

P-1

LL W

efectiva

λefectiva

λefectiva

70

Page 69: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/1/DG/N/∞

ejemplo 5

Una gasolinera dispone de un único servidor. Está situada

en una calle muy transitada y más bien estrecha. La

situación es tal que sólo puede haber tres coches esperando

a ser atendidos (si llega uno más no se le permite esperar

porque dificultaría el tráfico de la calle). El tiempo medio que

se emplea en poner gasolina a un vehículo son 2 minutos. El

número medio de clientes que llegan es de 20 coches por

hora.

Calcule:

1. La probabilidad de que el surtidor esté vacío.

2. Número medio de coches presentes en la gasolinera.

3. Tiempo que emplea un coche desde que llega hasta que

está listo para irse.

71

Page 70: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/1/DG/N/∞

ejemplo 5

72

Page 71: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/G/1

• Se trata de un sistema similar al anterior en el que la llegada sigue

una distribución de Poisson de parámetro λ ( es decir, el tiempo

entre una llegada y la siguiente sigue una distribución exponencial)

• En cambio, el tiempo empleado en el servicio no sigue una

distribución exponencial sino una distribución genérica con una

media E(t)= 1/µ y una varianza var(t)= σ2.

• Como el tiempo de servicio no sigue una distribución exponencial,

no son aplicables las formulas empleadas en el caso anterior,

denominadas de nacimiento y muerte. Aquí aplicaremos

emplearemos el análisis de las cadenas de Markov, la llamada

fórmula de Pollaczek-Khintchine (P-K) donde E(t)<1.

73

)1(2

222

qL

Page 72: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/G/1

11

)(

)(1

1

1

)1(2

0

0

222

PtEsi

tEP

LWWW

LW

LLL

W

L

qqservicio

qq

qq

servicio

q

sistema el en elemento ningún haya no que de adProbabilid

sistema el en apermanenci de Tiempo

W servicio el en apermanenci de Tiempo

cola la en apermanenci de Tiempo

L sistema el en elementos nº

L servicio el en elementos nº

Pollaczek de formula cola la en elementos nº

servicio

servicio

servicio

74

Page 73: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/G/1

ejemplo 6

• Un tren de lavado automático puede atender un automóvil

cada 5 minutos de media y una desviación típica es 2 . La

tasa media de llegadas es de 9 automóviles/hora.

• Obtenga las medidas de desempeño de acuerdo con el

modelo M/G/1

• Además la probabilidad de tener 0 clientes en el sistema y

la probabilidad de que un cliente tenga que esperar por el

servicio

75

Page 74: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/G/1

ejemplo 6

75.025.01

min7.8145.0

min7.13228.01

31.1)1(2

06.275.31.1

0

222

w

q

q

qs

q

qs

PP

hrsL

W

hrsWW

clientesL

clientesLL

76

Page 75: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/D/1

• Sistema de líneas de espera con llegadas aleatorias, tiempo de

servicio constante, una línea de servicio y una línea de espera.

• En este modelo los tiempos de servicio son determinísticos, este es

un caso especial de la situación M / G / 1 que se analizó con

anterioridad, en donde la varianza es igual a cero. En este caso se

puede conocer el numero de unidades que están esperando a ser

atendidas (Lq), a través de la siguiente ecuación:

• Todas las demás características de operación pueden determinarse

a partir de este valor. Si utilizamos Lq podemos determinar el valor

de L, por medio de la siguiente ecuación:

)1(2)1(2

22

222

LqLq 0 si

qq LLLL servicioL

77

Page 76: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/D/1

1 Para

1

)1(2

2

q

q

q

q

q

WL

W

LW

LL

L

78

Page 77: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/D/1

ejemplo 7

• Un tren de lavado automático puede atender un automóvil

cada 5 min.

• La tasa media de llegadas es de 9 automóviles/hora.

• Obtenga las medidas de desempeño de acuerdo con el

modelo M/D/1

79

Page 78: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/D/1

ejemplo

min5.1221.01

min5.7125.0

125.1)1(2

875.1

2

hrsWW

hrsL

W

clientesL

clientesWL

q

q

q

q

s

80

Page 79: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/G/1

ejercicio

• A un supermercado llegan en promedio 80 clientes por hora

que son atendidos entre sus 5 cajas.

• Cada caja puede atender en promedio a un cliente cada 3

minutos. Suponga = 5 min

• Obtenga las medidas de desempeño de acuerdo con el

modelo M/G/1

• Además la probabilidad de tener 0 clientes en el sistema y la

probabilidad de que un cliente tenga que esperar por el

servicio

81

Page 80: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/D/1

ejercicio

• A un supermercado llegan en promedio 80 clientes por hora

que son atendidos entre sus 5 cajas.

• Cada caja puede atender en promedio a un cliente cada 3

minutos.

• Obtenga las medidas de desempeño de acuerdo con el

modelo M/D/1

82

Page 81: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelos de varios servidores

• M/M/s: s servidores con llegadas de Poisson y tiempos

de servicio exponenciales

• M/D/s: s servidores con tiempos entre llegadas

exponenciales y una distribución degenerada de tiempos

de servicio

• M/Ek/s: s servidores con tiempos entre llegadas

exponenciales y una distribución Erlang de tiempos de

servicio

83

Page 82: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo (M, M, s):(DG, , )

En este modelo los clientes llegan siguiendo uan distribución

de Poisson con una tasa y un máximo de s clientes pueden

ser atendidos simultáneamente.

La tasa de servicio por servidor activo es también de Poisson

e igual a .

El número de elementos del sistema, así como el tamaño de

la fuente emisora es infinito.

El efecto último de usar s servidores paralelos es acelerar la

tasa de servicios al permitir servicios simultáneos.

84

Page 83: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo (M, M, s):(DG, , )

Si el número de clientes en el sistema n es menor o igual s,

, habrá n servidores funcionando y ningún cliente esperando

Si hay n>s clientes en el sistema, los s servidores estarán

funcionando y (n-s) clientes esperando.

Siempre que hay n clientes habrá el mínimo número entre

n y s servidores ocupados.

Tasa de servicio de la instalación es s. o si es n menor

que s, la tasa de servicio es igual a n. Tasa de llegada n = , para n 0

Tasa de servicio n = n, para n s

n = s, para n s

85

Page 84: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

M/M/s, varios servidores

0

02

1

02

1

0

0

0

0

0

0

!

1

1

1;

)()!1()()!1(..)(

!1

1

!

1

,!

,!

1

Ps

s

sP

WWL

W

LLLLL

LWWL

Pss

Pss

PsnL

n

s

s

P

snsiPss

P

snsiPn

P

PP

sw

qsq

q

qqservicioqs

servicioservicioservicioservicio

ss

n

sn

q

s

n

ns

sn

n

n

n

n

n

i

ni

i

ocupados esten servidores los todas que de dProbablida

sistema el en cola la en apermanenci de Tiempo

μλ sistema el en

; como

ndo..desarrolla cola la en elementos de nº

sistema el en elemento ningún haya no que de Probalidad

ocupado este sistema el que adProbabilid

o

sistema el en elementos n haya que de adProbabilid

efectiva

Si n ≤ s no hay clientes en la cola

86

Page 85: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/s

ejemplo 8

• El teléfono directo de ayuda al cliente para ordenadores NTI-

Computer es atendido por un técnico. Reciben, aleatoriamente, 5

llamadas por hora y siguiendo una distribución de Poisson. Se

resuelven 7 por hora, siguiendo una distribución exponencial. El

director del Dpto. ha recibido numerosas quejas sobre el tiempo de

espera al teléfono directo.

• El director del Dpto. desea determinar el tiempo medio espera de

los clientes antes de que el técnico conteste a sus llamadas. Si el

tiempo de medio de espera es más de 5 minutos, desea determinar

el nº de técnicos para reducir el tiempo de espera el tiempo de

espera a 2 minutos o menos.

88

Page 86: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/s

ejemplo 8

• λ, tasa de llegada 5 5

• µ, tasa de servicio 7 7

• Nº de servidores 1 2

• ρ, utilización 71.43% 35.71%

• P(0), probabilidad de que no haya nadie 0.2857 0.4737

• Lq, longitud de la cola 1.7857 0.1044

• L, longitud del sistema 2.5000 0.8187

• Wq, tiempo de espera en la cola 0.3571 0.0209

Wq, tiempo de espera en la cola en minutos 21.4` 1.254`

• W, tiempo de espera en el sistema 0.5000 0.1637

• Probabilidad de espera del cliente 0.7143 0.1880

89

Page 87: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/s

ejemplo 9

• A un supermercado llegan en promedio 80 clientes por hora que son atendidos entre sus 5 cajas. Cada caja puede atender en promedio a un cliente cada 3 minutos

• Obtenga las medidas de desempeño de acuerdo con el modelo M/M/s. Además la probabilidad de tener 2 clientes en el sistema

ρ, utilización 80,00%

P(0), probabilidad que el sistema esté vacío 0,0130

Lq, longitud esperada de la cola 2,2165

Ls, número esperado en el sistema 6,2165

Wq, tiempo esperado en la cola 0,0277 horas

Ws, tiempo total esperado en el sistema 0,0777 horas

Pw, Probabilidad que un cliente espere 0,5541

P(2) Probabilidad que haya 2 usuarios 0,1039

90

Page 88: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/ ∞ :G/∞/∞

Modelo autoservicio

• El número de servidores es ilimitado porque el cliente también es un servidor por tanto siempre hay un servidor disponible para cada llegada. Todo el tiempo que pasa el cliente en el sistema es su tiempo de servicio.

• El modelo generalizado es:

L

1

colahay No

colahay No

espera de tiempohay no ;

0,1,2....n ny

1E(S) sistema el en empleado tiempo del medio

llegadas entre tiempo del medio Valor

s

n

s

nn

n

o

n

o

n

n

n

n

n

n

n

q

q

S

n

Wn

eP

nP

ePP

n

PPn

P

Pn

P

W

L

W

Valor

AE

!!

1

...!2

1

1

!

1!

1

!

0

0

11

)(

0

02

0

1

00

0

91

Page 89: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/ ∞ :G/∞/∞

ejemplo 10

• Una academia de idiomas sabe que cada semana se matriculan 2 nuevos alumnos. El tiempo medio que el alumno permanece en la academia son 10 semanas. ¿Cuál es el número medio de alumnos en la academia?¿Cuál es la probabilidad de que haya exactamente 10?

61020

0 1086.5!10

20

!!

20102

1

e

n

eP

nP

alumnosL

nn

n

s

semanas 10

anaalumno/sem 2

92

Page 90: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/s:G/N/∞, s≤ N

cola de espera finita

• Este modelo se diferencia del genérico en el que se fija un límite N sobre la capacidad del sistema ( el tamaño de la cola será N-s).

• Las tasas de llegada y de servicio son λ y µ. La frecuencia efectiva de llegas λefectiva es menor que λ por causa de N

• Los clientes buscan servicio, si todos los servidores están ocupados se les niega el servicio

• En términos del modelo generalizado

Nns para

n0 para

N n para

Nn0 para

s

sn

p

np

i

ip

nn

nnp

n

n

n

n

n

n

n

0

1

,..2,1;1

1

21

0

0

1

0

1

0

...

...

93

Page 91: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/s:G/N/∞, s≤ N

cola de espera finita

Nn s s!s

Po Pn

s n 0 n!

Po Pn

s-n

n

n

1-1-S

0n

sn

1-s

1sNs

n

1s

, 1 s- N s!

n!

1s

,

1-

s-1 !

s1

n! Po

0n

s

1

0

1

0

0

11

0

1

1,!2

1

1,111²!1

s

n

n

s

n

qns

s

sNsNs

q

PsLnPL

ss

sNsNP

sss

sNsss

P

L

λperdida = λPN λefectiva= λ- λperdida= λ(1-PN)

Para el cálculo de Wq utilizar λefectiva y para Ws, Ls

94

Page 92: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/s:G/N/∞

ejemplo 11

Una centralita telefónica de 4 líneas, recibe 16 llamada por hora con una

duración promedio de 12 minutos, dispone de un buffer de espera de 6

clientes. Determinar la probabilidad de que estén ocupadas exactamente 2

ρ, utilización 77,14%

P(0), probabilidad que el sistema esté vacío 0,0312

Lq, longitud esperada de la cola 1,1542

Ls, número esperado en el sistema 4,2398

Wq, tiempo esperado en la cola 0,0748 ́

Ws, tiempo total esperado en el sistema 0,2748 ́

Pw, Probabilidad que un cliente espere 0,5387

P(2) Probabilidad que haya 2 usuarios 0,0357

95

Page 93: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/k:G/k/∞

cola de espera finita

)1(

!

!

0

j

s

k

k

j

P

Número

k

j

N

(carga) ocupados servidores de promedio

P

sdisponible servidores s dados ocupados, servidores j haya que de adProbabilid

j

96

Page 94: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/k:G/k/∞

ejemplo 12

iPP

k

j

ii

s

k

k

j

1

543210

2

2

0

j

%4.3034.0

54321

10

4321

10

321

10

21

10

1

10

!0

10

12

10

P

!

!P

sdisponible servidores s dados ocupados, servidores j haya que de adProbabilid

Una centralita telefónica de 5 líneas, recibe 1 llamada por minuto con una

duración promedio de 10 minutos, dispone de un buffer de espera de 6

clientes. Determinar la probabilidad de que estén ocupadas exactamente 2

97

Page 95: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/1:G/N/N

servicio de máquinas

• Este modelo es un ejemplo de una fuente de llamadas finitas, en el que se dispone de un número de servidores para dar servicio a un total de N máquinas.

• La tasa de avería por máquina es λ • La tasa de reparación de los mecánicos será µ • La tasa de avería para todo el taller es proporcional al nº de máquinas que

funcionan (n). La tasa de avería para el taller λn=(N-n)λ

nn

n

sn

nN

mecánico solo un para

Kn para 0

Nns para N

n0 para

Kn para 0

Nn0 para ,)(

98

Page 96: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/1:G/N/N

servicio de máquinas

• Este modelo es un ejemplo de una fuente de llamadas finitas, en el que se dispone de 1 servidor para dar servicio a un total de N clientes.

;1

)( ;)(

Po)-(1 Po)-(1 L ndodesarrolla

)!(

!

)!(

!

)!(

! 1

)!(

! dosustituyen 1

)!(

! ndodesarrolla

,..2,1;1

1

21

0

s

1

0n

n

1

0n

0

0

n

0

n

0

0

1

0

1

0

...

.....)2()1(

...

...

WqWs

LsNLN

LWq

NLNnpL

nN

N

nN

Np

nN

NPPo

nN

Np

PonN

Nppp

np

i

ip

nn

nnp

efectiva

s

q

q

N

n

nS

N

n

n

N

n

N

n

N

n

n

nn

n

n

n

NNN

99

Page 97: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/s:G/N/N; s<N

servicio de máquinas

• Este modelo es un ejemplo de una fuente de llamadas finitas, en el que se dispone de s servidores para dar servicio a un total de N clientes. Como estos servidores, son los únicos que pueden atender ese servicio, el número máximo de posibles clientes tiene que ser N.

)( ;

s).disponible técnicos(de sdesocupado servidores de esperado número el representa s

1,1

1),(

;

1,11

1

1,

!

!

0

; !

!

_

0

0

1

0

01

0 1

0

K

0n

LsNL

W

sP

N

sssn

L

sPN

sPsn

L

NnsPss

n

n

N

snPn

N

Pss

n

n

N

n

NP

efectiva

efectiva

q

q

c

nnPS

n

N

sn

q

sn

n

n

n

s

n

N

snsn

nn

)!(!

!

nNn

N

n

N

100

Page 98: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Modelo M/M/s:G/N/N; s<K

ejemplo 12

• La empresa Talleres MiguelB mantiene un taller que contiene 22 máquinas. Se sabe que cada máquina se avería cada dos horas, en promedio. Se requiere de un promedio de 12 minutos para terminar una reparación. Tanto el tiempo entre averías como el de reparación siguen una distribución exponencial. Talleres MiguelB está interesada en determinar el número de mecánicos necesarios para mantener el taller funcionando uniformemente.

..continua..s

L

de

dadproductivi

de

dadproductivi

s

5 horas; por averias 1/2

máquinas las

sdisponible Máquinas

averiadas Máquinas-sdisponible Máquinas

máquinas las

......;3,2,1

10022

22

100

101

Page 99: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

Tasa de llegada 0.5 0.5 0.5 0.5 Tasa de servicio 5 5 5 5 Nº de mecánicos 1 2 3 4 Nº de máquinas 22 22 22 22

Utilización 100,01% 88,16% 65,11% 49,75% P(0), probabilidad que el sistema esté vacío 0,0004 0,0564 0,1078 0,1199 Lq, longitud esperada de la cola 11,009 2,6046 0,5127 0,1102 L, número esperado en el sistema 12,009 4,3678 2,4661 2,1002 Wq, tiempo esperado en la cola 2,2037 0,2954 0,0525 0,0111 W, tiempo total esperado en el sistema 2,4038 0,4954 0,2525 0,2111 Probabilidad que un cliente espere 0,9996 0,8196 0,4061 0,1545

Productividad de las máquinas 45.44 80.15 88.79 90.45 Incremento 34.71 8.64 1.66

Modelo M/M/s:G/N/N; s<K

ejemplo 12

102

Page 100: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

103

Colas exponenciales en serie

Salidas Servidor

Servidor

Servidor

Servidor

Servidor

Page 101: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

104

Colas exponenciales en serie

Teorema de descomposición de Jackson Si en un sistema de las en serie se cumple que:

1. el tiempo de llegada sigue una distribución exponencial negativa de

parámetro λ,

2. los tiempos de servicio en cada etapa i siguen distribuciones

exponenciales.

3. entre una etapa y la siguiente existe espacio suficiente como para albergar

indos los clientes, de manera que se puede considerar de capacidad

infinita, entonces el tiempo de llegada a cada etapa del sistema es

exponencial de parámetro λ

Lo que nos dice este teorema es que si en cada etapa existe la capacidad

suficiente como para atender a los clientes que llegan (es decir, la tasa de

servicio es superior a la tasa de llegadas), se podrá atender a todos los

clientes a la velocidad a la que llegan (que es λ). Por lo tanto, una vez que son

atendidos en la etapa 1 pasan a la etapa 2 con una tasa de llegadas λ, y así

sucesivamente en cada una de las k etapas. La consecuencia práctica es que

los cálculos en cada etapa se hacen como si fuera sistema independiente de

capacidad infinita.

Page 102: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

105

Colas exponenciales en serie

Ejemplo Sea un proceso que tiene dos etapas. En la primera se hace el montaje con

una tasa de 30 productos hora. Para esta primera fase hay un solo servidor.

En segunda fase hay tres servidores que hacen el proceso de pintado a una

tasa de 111 productos hora cada una. Cada producto tiene que pasar por uno

de los tres servidores únicamente únicamente. El proceso se recoge en la

figura.

Al sistemas llegan 26 productos por hora. Se desea saber el número de

productos presentes en el proceso (longitud media del sistema total)

Servidor2

Servidor3

Servidor4

Servidor1 λ

µ1

µ2

capacidadtienefase

capacidadtienefase

2361233

26

130

26

´2

2´2

1

1

Page 103: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

106

Colas exponenciales en serie

Ejemplo

Servidor2

Servidor3

Servidor4

Servidor1 λ

µ1

µ2

productos 10.03 3.536.5L

3.39 sistema el en

cola la en elementos de nº

sistema el en elementos haya no que de dProbablida

y

30

2

1

hPss

hdosustituyenLL

Pss

hL

n

h

s

hP

shDefinimos

MM

L

MM

s

qs

s

q

s

n

ns

S

2

02

1

0

0

)(!

)(!

0861.0

!1

1

!

1

1226

3//

5.62630

26

1

26

1//

Page 104: Mssi 03 Teoria Colas

MO

DEL

AD

O Y

SIM

ULA

CIÓ

N D

E SI

STEM

AS

IND

UST

RIA

LES

107

Sistemas de colas abiertas

Servidor

Salidas Servidor

Servidor

Servidor

Servidor

Servidor

Servidor

Servidor

Servidor

k

i

i

k

j

jijii

rλ sistemas egadas delobal de llLa tasa gl

pλrλ

1

1